一种连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料片制备装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料片制备装置及方法，通过纤维束递丝单元与碳纤维束牵引辊配合实现碳纤维束递入到纤维束包埋切割及续接单元夹紧，通过纤维束开纤及张紧单元中的开纤辊、梳丝器及二级开纤板对张紧的碳纤维束进行开纤，再通过纤维束包埋切割及续接单元中的环形导轨带动夹持碳纤维束的夹子下压，使张紧的碳纤维束对熔融态树脂薄片进行垂直向下切割，并包埋入其中，实现碳纤维束在热塑性树脂基体中的包埋和碳纤维束的切断，如此往复循环，实现连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料片的制备，解决了连续碳纤维增强热塑性预浸料片在制备过程中面临的树脂基体粘度大、对碳纤维束充分浸渍难、纤维含量难以精确控制的问题。

Device and method for preparing continuous carbon fiber reinforced thermoplastic resin prepreg sheet

The invention discloses a preparation device and method for continuous carbon fiber reinforced thermoplastic resin-based prepreg sheet. The carbon fiber bundle is inserted into the fiber bundle embedding cutting unit and clamped by the carbon fiber bundle feeding unit and the carbon fiber bundle drawing roller, and the fiber opening roller, the wire comber and the second part of the fiber bundle opening and tensioning unit are clamped by the fiber bundle feeding unit and the carbon fiber bundle splicing unit. The tensioned carbon fiber bundles are cut vertically downward by the step-open fiberboard and embedded in the fiber bundles to realize the carbon fiber bundles in the thermoplastic resin matrix. The preparation of continuous carbon fiber reinforced thermoplastic resin-based prepreg sheet can be realized by the encapsulation of carbon fiber bundles and the cutting off of carbon fiber bundles. The problems in the preparation of continuous carbon fiber reinforced thermoplastic resin-based preg sheet, such as the high viscosity of resin matrix, the difficulty in fully impregnating carbon fiber bundles and the difficulty in accurately controlling the fiber content, are solved. Question.

【技术实现步骤摘要】
一种连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料片制备装置及方法
本专利技术属于复合材料领域，涉及一种连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料片制备装置及方法，特别适用于连续纤维增强熔融温度和粘度均较高的片状热塑性纤维预浸料的制备。
技术介绍
连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料，在航空航天、汽车等领域都有着广泛的应用需求，其突出优势主要包括：优异的力学性能(高韧性、高刚性、高强度、高抗疲劳等)、高耐磨损性、不吸水、抗老化、抗腐蚀等。但对于熔融粘度较高热塑性树脂基碳纤维复合材料预浸料，现有方法存在树脂对纤维浸润效果差、纤维含量难以提高、制成的构件力学性能不稳定等问题，严重影响了连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料制件的应用效果，限制了其性能的充分发挥。目前连续纤维增强热塑性树脂基预浸料的制造工艺技术主要包括：熔融法、喷涂法、溶液浸渍法等。如中国专利(CN105014994A)中公开了一种熔融浸渍法制备连续纤维增强热塑性树脂复合材料的工艺及装置，其核心技术是：采用一种特殊的齿状结构，使连续纤维束和热塑性树脂进行熔融浸渍。但该技术由于热塑性树脂熔融温度高、粘度大，而难以保证纤维的均匀浸渍，导致制得的预浸料孔隙率较大。此外，中国专利(CN102950780A)中公开了一种采用火焰喷涂法制造连续纤维增强热塑性树脂基预浸带的装置，该装置采用火焰喷涂方法，利用火焰的高温特性，将树脂熔融并喷涂在连续纤维织物表面，再经冷压辊挤压定型，制备出连续纤维增强高熔点树脂基预浸带，但该技术在实施过程中对纤维含量的精确控制较难。另外，在挤压定型过程中，树脂基体以粘性变形为主，而不是以浸入纤维束内部的融体流动为主，所以没有从根本上解决树脂均匀浸润纤维丝内部难度大、纤维含量难以提高的问题。公开号为CN106738447A的中国专利中，提出采用风筝线切割原理，将碳纤维束镶嵌并包埋入树脂基体，来制备热塑性树脂基连续碳纤维复合材料预浸料的新技术。但对可控开纤、连续递丝、纤维含量可控等关键技术没有给出具体的实施方案，且针对纤维含量略低的预浸料带材的生产，使用前还需要加热开卷，因而能耗较高，所以，目前的技术难以适应对纤维含量要求较高的片状预浸料的生产。因此，本专利技术旨在重点解决上述问题，实现对连续碳纤维增强热塑性树脂基片状预浸料的高效制备。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料片的制备装置，以解决现有连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料制备技术中高粘度热塑性树脂难以均匀浸渍连续碳纤维，从而导致所制得的碳纤维复合材料力学性能不稳定和承载能力较低的问题。本专利技术提供的一种连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料片制备装置的技术方案是：一种连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料片制备装置，包括：由纤维束连接的纤维束递丝单元、纤维束开纤及张紧单元、纤维束包埋切割及续接单元，以及树脂薄片加热及上下料单元，上述各单元均由主控制器协调运行，完成连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料片的制备。上述方案中，所述纤维束递丝单元包括碳纤维束卷辊和碳纤维束支撑辊，碳纤维束卷辊引出碳纤维束并支撑在碳纤维束支撑辊上。上述方案中，所述纤维束开纤及张紧单元包括依次设置的开纤辊、梳丝器、二级上开纤板和二级下开纤板，二级上开纤板和二级下开纤板分别布置于碳纤维束的上下方。上述方案中，所述梳丝器沿外圆周对称分布有两组三级梳丝齿，共六排齿，每组三级梳丝齿的齿数依次增加，且高等级的梳齿与低等级的梳齿交错排开，一级梳丝齿的齿间距通过前面的碳纤维束开纤程度来选取，二级梳丝齿的齿间距设置为一级梳丝齿的一半并且齿分布在一级梳丝齿的齿间，三级梳丝齿的齿间距设置为二级梳丝齿的一半并且齿分布在二级梳丝齿的齿间。上述方案中，所述纤维束包埋切割及续接单元由纤维束牵引辊、夹子一、夹子二、夹子三、环形导轨、滚珠丝杠、滚珠丝杠螺母、树脂薄片、托盘A、砧板A、第一滑板、滑板平台、预热装置、切断刀片、纤维废料回收箱组成，所述碳纤维束牵引辊为两个，且上下对滚，将碳纤维束通过纤维束开纤及张紧单元递丝至夹子一夹紧，夹子一安装在环形导轨上，环形导轨上还安装有夹子二、夹子三，夹子二的正下方为纤维废料回收箱，环形导轨的两端分别与安装在滚珠丝杠上的滚珠丝杠螺母固定连接，环形导轨下方放置滑板平台，滑板平台上通过滑槽配合设置第一滑板，第一滑板上放有托盘A和砧板A，托盘上放置有树脂薄片，滑板平台下方设有预热装置，滑板平台两侧布置有切断刀片。上述方案中，所述托盘两端设置有托盘翼，托盘中部下凹，托盘翼与托盘底部间的距离应比树脂薄片厚度大2-4mm。上述方案中，所述切断刀片的高度小于第一滑板、砧板A和托盘A的高度之和。上述方案中，所述树脂薄片加热及上下料单元包括若干装有树脂薄片的托盘B、树脂薄片料箱、红外加热器、冷却装置、真空吸盘、真空吸盘导轨、预浸料料箱、砧板B、第二滑板，托盘B放置在树脂薄片料箱中，红外加热器位于树脂薄片料箱的正下方，真空吸盘安装在位于托盘B上方的真空吸盘导轨上，两个真空吸盘的中心正好位于托盘B的托盘翼中心上方，冷却装置安装在真空吸盘导轨上方，且位于滑板平台的正上方；真空吸盘导轨的右下方为预浸料料箱，第二滑板、砧板B布置在真空吸盘导轨下方的滑板平台上。一种连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料片制备方法，首先控制器控制纤维束递丝单元引出碳纤维束，通过与纤维束开纤及张紧单元的配合，将碳纤维束递入纤维束包埋切割及续接单元夹紧；然后控制纤维束开纤及张紧单元对碳纤维束进行开纤和张紧，红外加热器对树脂膜料箱中的树脂薄片加热至熔融状态；接着控制树脂薄片加热及上下料单元对树脂薄片进行上料，纤维束包埋切割及续接单元工作，实现碳纤维束的包埋切割以及续接，如此往复循环，即可制成连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料片。本专利技术采用上述技术方案后，具有的有益效果是：1、通过环形导轨带动夹持碳纤维束的两个夹子快速下压，使张紧的碳纤维束对熔融态树脂薄片进行快速、垂直向下切割，并包埋入其中。实现了碳纤维束在热塑性树脂膜中的嵌入和包埋，很好的解决了连续碳纤维增强热塑性预浸料片在制备过程中所面临的树脂基体粘度大、对纤维束充分浸渍难、纤维含量难以精确控制的问题。2、本专利技术能通过对碳纤维束规格、第一滑板和第二滑板步进距离及碳纤维束包埋层数的设置，实现对连续碳纤维增强热塑性预浸料片的纤维含量精确控制，以使碳纤维复合材料构件的力学性能具有更好的可设计性。3、本专利技术通过对开纤辊、梳丝器、二级开纤板、环形导轨的设计以及环形导轨沿垂直方向的间歇式上下运动和夹子的交替运动，依次实现对碳纤维束的开纤、张紧和垂直切割包埋；通过对第一滑板、第二滑板、红外加热器的设置，充分利用闲置时间，实现连续碳纤维增强热塑性预浸料片的高效生产。附图说明下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细说明。图1为连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料片制备装置的整体结构示意图；图2为滑板在滑轨平台上的初始位置示意图，图2(a)为第一滑板在滑轨平台上的初始位置示意图，图2(b)为第二滑板在滑轨平台上的初始位置示意图；图3为树脂薄片加热及上下料单元的结构示意图，图3(a)为树脂薄片加热及上下料单元侧视图，图3(b)为图3(a)A-A方向示意图；图4为环形导轨示意图；图5为滚珠丝杠螺母及环形导轨安装局部示意图；图6为开纤辊结构示意图；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料片制备装置，其特征在于，包括：由纤维束连接的纤维束递丝单元、纤维束开纤及张紧单元、纤维束包埋切割及续接单元，以及树脂薄片加热及上下料单元，上述各单元均由主控制器协调运行，完成连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料片的制备。

【技术特征摘要】
1.一种连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料片制备装置，其特征在于，包括：由纤维束连接的纤维束递丝单元、纤维束开纤及张紧单元、纤维束包埋切割及续接单元，以及树脂薄片加热及上下料单元，上述各单元均由主控制器协调运行，完成连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料片的制备。2.根据权利要求1所述一种连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料片制备装置，其特征在于，所述纤维束递丝单元包括碳纤维束卷辊(1)和碳纤维束支撑辊(3)，碳纤维束卷辊(1)引出碳纤维束(2)并支撑在碳纤维束支撑辊(3)上。3.根据权利要求1或2所述一种连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料片制备装置，其特征在于，所述纤维束开纤及张紧单元包括依次设置的开纤辊(4)、梳丝器(5)、二级上开纤板(6)和二级下开纤板(7)，二级上开纤板(6)和二级下开纤板(7)分别布置于碳纤维束(2)的上下方。4.根据权利要求3所述一种连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料片制备装置，其特征在于，所述梳丝器(5)沿外圆周对称分布有两组三级梳丝齿，共六排齿，每组三级梳丝齿的齿数依次增加，且高等级的梳齿与低等级的梳齿交错排开，一级梳丝齿的齿间距通过前面的碳纤维束开纤程度来选取，二级梳丝齿的齿间距设置为一级梳丝齿的一半并且齿分布在一级梳丝齿的齿间，三级梳丝齿的齿间距设置为二级梳丝齿的一半并且齿分布在二级梳丝齿的齿间。5.根据权利要求1所述一种连续碳纤维增强热塑性树脂基预浸料片制备装置，其特征在于，所述纤维束包埋切割及续接单元由纤维束牵引辊(33)、夹子一(9)、夹子二(13)、夹子三(19)、环形导轨(10)、滚珠丝杠(8)、滚珠丝杠螺母(34)、树脂薄片(12)、托盘A(11)、砧板A(14a)、第一滑板(16)、滑板平台(17)、预热装置(18)、切断刀片(15)、纤维废料回收箱(23)组成，所述碳纤维束牵引辊(33)为两个，且上下对滚，将碳纤维束(2)通过纤维束开纤及张紧单元递丝至夹子一(9)夹紧，夹子一(9)安装在环形导轨(10)上，环形导轨(10)上还安装有夹子二(13)、夹子三(19)，夹子二(13)的正下方为纤维废料回收箱(23)，环形导轨(10)的两端分别与安装在滚珠丝杠(8)上的滚珠丝...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭玉琴，段梦思，胡才会，李富柱，吴雪莲，徐凡，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32